玄武岩纤维增强再生混凝土的单轴受压试验研究

2024-01-08郭少龙陈为石李国栋

天津城建大学学报 2023年6期

郭少龙，陈为石，鹿群，李国栋

（1.天津城建大学，天津 300384；2.融创北京区域集团济南公司，济南 250000；3.中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384）

再生混凝土[1-3]是将建筑垃圾中的混凝土废块经过破碎、筛分、清洗后，按一定级配混合，取代一部分或全部混凝土配合比中的粗细集料，加入水泥，水，减水剂等搅拌制成的一种混凝土材料.再生混凝土技术可以实现废弃混凝土的有效回收利用，对保护环境、节约资源具有重要意义.玄武岩纤维[4-5]是以天然玄武岩为原料，拉制而成的连续纤维，具有耐高温，耐疲劳，耐冲击，抗压强度和抗剪切强度高等优点.纤维再生混凝土[6-7]就是将一种或几种不同种类的纤维加入到再生混凝土中，用来增强再生混凝土性能的一种复合材料，玄武岩纤维增强再生混凝土（basalt fiber reinforced recycled concrete，简称BFRRC）便是其中的一种.

立方体抗压强度是再生混凝土的重要力学指标之一，有学者研究表明，影响再生混凝土抗压强度的主要因素是龄期，其次是再生粗骨料的掺入量[8～10].Salomon M L 和Paulo H[11]通过对比相同龄期的普通混凝土和再生混凝土的立方体抗压强度，发现普通混凝土明显高于再生混凝土.陈宗平等[12]的研究发现再生粗骨料取代率为40%时混凝土的立方强度、轴心抗压强度与普通混凝土差异不明显.

玄武岩纤维因为抗拉强度高、抗裂性能显著、耐久性好等特点，在普通混凝土中应用十分广泛.彭苗等[13]研究发现，玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混凝土抗压强度提升了46.3%.同时玄武岩纤维有极好的增韧效果，限制了混凝土内部微裂纹的产生和发展[14].而再生粗骨料内部有较多微裂缝，纤维对裂缝的限制作用为研究再生混凝土立方体抗压强度提供了新的思路.胡星宇[15]通过研究发现，玄武岩纤维的长度对混凝土的强度有较大影响，并指出玄武岩纤维的长度为15 mm 时，混凝土的抗压强度增幅最大，玄武岩纤维最佳体积掺量为0.1%.崔乃夫[16]通过研究玄武岩纤维的掺量和长度对混凝土力学性能的影响，得出玄武岩纤维的长度为18 mm 时，力学性能最佳，同时得出了玄武岩纤维的最佳掺量为3 kg/m3.Borhan[17]研究发现，当玄武岩纤维的体积掺量达到0.2%时，反而会降低混凝土强度.葛浩军[18]在研究中发现当玄武岩纤维的体积掺量为0.1%～0.12%时，混凝土的力学性能最佳.

再生混凝土自身的缺陷使得其在工程应用中得到了一定限制.玄武岩纤维能够起到增强、增韧、阻裂的效果.将玄武岩纤维均匀掺入再生混凝土中提高其韧性，减少裂缝开展是一种有意的尝试.然而，已有的研究不系统、不完善.本文系统研究了玄武岩纤维体积掺量、再生粗骨料取代率对混凝土的抗压强度、割线模量、峰值应变等方面的影响，以期为玄武岩纤维增强再生混凝土的工程应用提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 原材料

本次试验选用长度为18 mm 的玄武岩纤维，以玄武岩纤维体积掺量（0%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%）为变量，来研究玄武岩纤维的掺入对BFRRC 抗压强度、弹性模量的影响. 本次试验以再生粗骨料的取代率（0%，50%，100%）为变量，研究再生粗骨料取代率对BFRRC 抗压强度、割线模量的影响. 此外，对BFRRC 立方体抗压强度试验的峰值应变进行分析.

天然粗骨料采用普通碎石，粒径为5～31.5 mm，见图1.再生粗骨料采用北京首钢资源管理科技开发有限公司提供的再生粗骨料，粒径为5～31.5 mm，见图2.天然碎石形状不规则，棱角较多，而再生粗骨料，形状介于碎石和卵石之间，表面较为圆润，同时再生粗骨料的表面有一层硬化的水泥砂浆层，表面的含泥量较高.天然碎石的表面较为致密光滑，而再生粗骨料表面的孔隙比较多，因此再生粗骨料的吸水率相对天然粗骨料较大.天然碎石与再生粗骨料的筛分结果见表1.

表1 天然碎石与再生粗骨料的筛余统计

图1 天然粗骨料

图2 再生粗骨料

由数据可知，再生粗骨料的颗粒级配要优于天然粗骨料，天然粗骨料相对天然碎石来说粒径更加小，较大粒径颗粒较少，各粒径比例更加均衡，但两者都符合相关规范[19]的要求.

根据规范[19]，对再生粗骨料和天然粗骨料分别进行了表观密度和堆积密度的试验，数据如表2.由表2可知，本次试验所用的天然碎石的堆积密度与表观密度比再生混凝土分别提高了7.5%和10%.这是由于再生粗骨料的表面附着了硬化的水泥砂浆层，而水泥砂浆层的密度较骨料低、孔隙率较大、表面相对粗糙且有大量的细微裂缝，使得在堆积密度与表观密度方面，再生粗骨料明显低于天然粗骨料.

表2 两种粗骨料的表观密度与堆积密度数据

再生粗骨料与天然粗骨料的压碎值指标分别为6.22 和9.52.再生粗骨料的压碎值明显高于天然粗骨料，这是由于再生粗骨料表面附着砂浆的刚度较低，孔隙较多，容易破碎脱落，并且再生粗骨料成分复杂，内部裂缝较多，含有一定量的砖粒等次生颗粒，使其压碎值高于天然粗骨料.

砂子为普通河砂，中砂，颗粒级配为0.150～2.36 mm.玄武岩纤维采用上海同申加固复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，玄武岩纤维物理力学性能如表3 所示，玄武岩纤维样品如图3 所示.

表3 玄武岩纤维的物理力学性能

图3 玄武岩纤维

1.2 试验方法

BFRRC 立方体抗压强度试验共有15 组配合比，如表4 所示.

表4 玄武岩纤维再生混凝土的配合比

按照相关标准[19]的要求制作强度等级为C30，尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方体非标准试块（测得的强度值需乘以尺寸换算系数0.95）.试块共45 个，分为15 组，每组3 块，按照相关标准进行[19]抗压试验.荷载加载速率为2 kN/s，试件的立方体抗压强度由式（1）进行计算.抗压强度fcu按下列方法确定：以三个测试值的算术平均值作为该组试件的强度值；三个测试值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗压强度值；三个测试值中的最大值或最小值中如两个与中间值的差值均超过中间值的15%时，则试验数据无效.抗压强度试验设备采用由武汉岩土所研制的RMT-150C 岩石压力机.抗压强度计算公式如下

式中：fcu为BFRRC 试块的抗压强度，MPa；F为试块破坏荷载，N；A为试块承受压力面积，mm2.

应力应变曲线上一点的应力和相应应变的比值称该点的割线模量.割线模量和弹性模量有一定的关系，由于弹性模量可以表征材料的刚度，因此，割线模量又被称为割线刚度.随着应力的增长，割线模量出现了衰减特征，其衰减过程与材料损伤的发展有某种联系.本文在混凝土应力-应变曲线上，取极限强度50%所对应的点与原点的连线的斜率作为本次立方体抗压试验的割线模量Ec.混凝土的峰值应变ε0即试件最大应力处对应的应变.已有的研究对再生粗骨料混凝土峰值应变的研究较少，对掺玄武岩纤维混凝土的再生粗骨料混凝土峰值应变的研究更少.本文通过试验研究再生粗骨料取代率、玄武岩纤维掺量对混凝土峰值应变的影响规律.

2 结果与分析

2.1 抗压强度分析

以再生粗骨料取代率（RC）和玄武岩纤维体积掺量（RB）为影响因素，对比研究了不同影响因素改变时BFRRC 的抗压强度（fcu）的发展规律. RFRRC 立方体试块的龄期为28 d.

图4 为以RB 为影响因素时的BFRRC 的抗压强度试验结果. 由图4 可以看出：RB 为0.05%，0.10%，0.15%的抗压强度明显高于当其体积掺量为0%时的抗压强度，表明在RB 小于0.15%时玄武岩纤维对再生混凝土立方体抗压强度有增强作用. 当RB 为0.20%时，由于纤维分布不均匀，在混凝土内部结团，同时由于RB 过多，且玄武岩纤维在搅拌过程中，会吸收一定量的水，降低了混凝土内部的水化反应，从而使得BFRRC 抗压强度降低.随着RB 的增加，BFRRC的立方体抗压强度均呈现先增大后减小的趋势.玄武岩纤维增强混凝土强度的机理为：当RB 较小时，纤维在混凝土中的分布较为均匀，可以在混凝土内部形成致密的网状结构；同时玄武岩纤维比表面积相对较大，能够增大混凝土内部摩擦力，从而增强其抗压强度；当玄武岩纤维体积掺量较大时，玄武岩纤维容易成团结束，分布不均匀，使得混凝土立方体抗压强度降低.因此，玄武岩纤维存在着最佳体积掺量，在该掺量下，对再生混凝土立方体抗压强度的提高最明显.由图4 可知，本次试验的最佳RB 为0.05%.随着RB的增大，BFRRC 的立方体抗压强度在RB 超过0.15%后开始大幅度下降.

图4 RB 对fcu 的影响

图5 为以RC 为影响因素时的BFRRC 的抗压强度试验结果.由图5 可知：BFRRC 的立方体抗压强度随着RC 的增加，呈现先增后减的效果.RC=50%时混凝土立方体抗压强度最大. 再生粗骨料对BFRRC 立方体抗压强度的影响规律，学术界一直存在争议.就本次试验结果进行分析，造成RC=50%时混凝土立方体抗压强度最大的主要原因如下.

图5 RC 对fcu 的影响

（1）本次试验所采用的再生粗骨料颗粒级配良好，优于天然石子的颗粒级配，连续性更好.天然石子的颗粒粒径在9.5～26.5 mm 范围内仅有30%，在较小颗粒粒径2.36～9.5 mm 内的比例达到了70%.而再生粗骨料在粒径为9.5～26.5 mm 范围内的比例为48.6%，在颗粒粒径2.36～9.5 mm 范围内的比例为52.4%. 因此，再生粗骨料的级配更好.

（2）耿秀春[20]通过研究粗骨料的颗粒级配对相同水灰比的混凝土抗压强度的影响，发现在较大水灰比条件下，使用较大颗粒粒径的混凝土抗压强度较大.而在本研究中，水灰比为0.6，再生粗骨料的大颗粒粒径比例明显高于天然石子.

（3）天然石子中针片状颗粒较多，天然骨料的压碎值略低于再生骨料，粗骨料的颗粒形状与压碎值也是造成再生混凝土强度高于普通混凝土强度的原因之一.

（4）本次试验在使用再生粗骨料时加入了附加水，使得水泥的水化反应更加完全.

2.2 割线模量分析

图6 为RC 对割线模量Ec的影响结果，图7 为RB 对Ec的影响结果.由图6 可知，BFRRC 的Ec随着RC 的增加而减小，整体大致呈线性关系. 在RC =100%时，玄武岩纤维掺量为0%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%的各组，相对基准混凝土，Ec分别降低了9.8%，5.4%，13.1%，20.4%，14.2%.下降幅度离散性较大，最大下降幅度达到了20.4%.这是由于再生粗骨料本身的弹性模量较小，同时再生粗骨料内部存在微裂缝，孔隙率较大造成的.

图6 RC 对Ec 的影响

图7 RB 对Ec 的影响

由图7 可知，随着RB 的增加，BFRRC 的Ec先增大后减小，在RB 为0.05%时取得峰值，最佳体积掺量为0.05%.该结论与RB 对立方体抗压强度的影响规律一致，说明玄武岩纤维分散较为均匀时，可以减小再生混凝土的变形能力，增大了其Ec.但随着RB 的增加，纤维在混凝土基体中分布不均匀，出现结团现象，纤维过密，使得水泥浆与骨料接触面积减小，抗压强度降低，应变增大，从而降低了Ec.

2.3 峰值应变分析

图8 为RC 和RB 对峰值应变的影响. 根据图8可知RC 和RB 对峰值应变的影响均很明显.当RB 分别取0%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%时，RC=50%对应的峰值应变比RC=0%对应的峰值应变分别提高了5.6%，8.2%，29.3%，30.45，17.7%，增幅基本上随着RB的增加而增大.可见掺入玄武岩纤维对混凝土的峰值应变有明显的提高作用，当RB 超过0.15%时，这种现象更明显.此外，当RC 取定值时，试件的峰值应变大致随RB 的增大而增大.然而，当RC 超过50%以后，试件的峰值应变随着RC 的增大而减小.

图8 再生粗骨料取代率对峰值应变的影响

由于玄武岩纤维的掺入会使得试件的峰值应力先增大后减小，在RB=0.20%体积掺量时，试件峰值应力小于基准混凝土，即试件在较小的应力条件下，发生了较大的形变. 当玄武岩纤维体积掺量超过0.15%时，会对试件造成在抗压强度、变形方面的不利影响.因此，建议工程上使用玄武岩纤维时，体积掺量不宜超过0.15%.

通过以上研究发现，在混凝土中掺入适量玄武岩纤维可以增强混凝土的延性，小幅度提高混凝土的强度.采用再生粗骨料部分或全部替代天然粗骨料，对混凝土强度、延性的影响并不显著.因此，将玄武岩纤维的高抗拉强度、高弹模、高耐腐蚀性、低成本的特性与再生粗骨料混凝土的经济性、环保性相结合，配制出性能更加优越的新型纤维混凝土材料，将是玄武岩纤维增强再生混凝土的一个很好的研究前景.其研究成果可应用于道路、桥梁、建筑结构等工程领域的各种混凝土结构的生产、加固、修复，应用前景十分广阔.